Quantencomputing im Energiesektor

Quantum Computing für die Energie von morgen: Das Fraunhofer IOSB-AST erforscht und erprobt Quanten- und hybride Ansätze, um komplexe Optimierungs- und Prognoseaufgaben im Energiesektor schneller, robuster und nachhaltiger zu lösen – von der Planung unter Unsicherheiten bis zur Echtzeit-Steuerung. Gemeinsam mit starken Partnern evaluieren wir passende Hardware und Algorithmen, übertragen industrielle Problemstellungen auf Quantencomputer und schaffen Sichtbarkeit für den „Quantum Advantage“.

Als Teil des Quantum Hub Thüringen vernetzen wir Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft – und machen Quantencomputing für Elektromobilität, Netze und Märkte konkret anwendbar.

Herausforderungen

• Steigerung der Energieeffizienz durch genauere Modellierung des Energiesystems und dessen Unsicherheiten (z.B. Eingangsgrößen, Preisentwicklung)
• Effizienter Ressourceneinsatz durch Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Planungsphase
• Verringerung der Vorlaufzeit hin zu einer Energiewirtschaft in Echtzeit
• Schnellere Lösung komplexer Modelle, um steigenden Herausforderungen für eine (kosten-)effiziente und nachhaltige Energieversorgung zu begegnen
• Nutzung von Quantencomputing für den sektorübergreifenden Energiebereich, speziell für die Elektromobilität
• Auswahl geeigneter Quantencomputer-Hardware (supraleitende Qubits, gefangene Ionen, neutrale Atome, Silizium-Nanodots u. v. m.), geeigneter Algorithmen (hybride quanten-klassische Algorithmen wie QAOA und VQE, reine Quanten-Algorithmen wie der Grover-Suchalgorithmus) und der Dimensionalität der Informationsträger (zweidimensionale Qubits oder mehrdimensionale Qudits) sowie geeignete Problemformulierung auf Basis kundenspezifischer Problemstellungen
• Schaffung von Sichtbarkeit für den „Quantum Advantage“ - die Vorteile des Quantencomputing bei realen Anwendungen im Energiesektor
• Wissensvermittlung für relevante Interessensgruppen wie Bevölkerung, Akteure der Energiewirtschaft, Ingenieure und Informatiker im Energiesektor

Unsere Ansätze und Forschungsarbeit

• Erforschung der Lösung von Optimierungsproblemen mit Quantencomputing mittels IBMs Quantum Computer (supraleitende Qubits) in Ehningen sowie dem experimentellen Aufbau der Universität Innsbruck auf Basis von gefangenen Ionen (Qudits) und geeigneter Emulatoren von Quantum Computern
• Problemspezifische Anpassung und Verbesserung von Quantenalgorithmen, um einen Quantenvorteil zu erreichen
• Lösung von Optimierungsproblemen unter Berücksichtigung der Unvorhersagbarkeit/Unsicherheit erneuerbarer Energien (z. B. Fotostrom) mittels Quantum Computing
• Optimierung kosten- und emissionsminimaler (multikriterielle) Be- und Entladung (bidirektionales Laden) von Elektrofahrzeugen
• Untersuchung von robusten Quantum-Optimierungsansätzen
• Untersuchung möglicher quantenbasierter Computing-Ansätze zur Vorhersage von Energiezeitreihen
• Umsetzung von Problemstellungen von Industriepartnern auf einem Quantencomputer

Die Quantentechnologien der zweiten Generation stehen kurz davor, die technologische Basis, auf der unsere Gesellschaft agiert, grundsätzlich zu verändern.

Der Quantum Hub Thüringen soll diesen bevorstehenden technologischen Umbruch als Zukunftsperspektive gestalten. Unter Ausnutzung der Stärken der Industrie und Wissenschaft des Freistaats können so wichtige Beiträge zu diesem globalen Transformationsprozess geleistet werden.

Als Fraunhofer IOSB-AST sind wir Teil dieses zukunftsweisenden Forschungsprogramms.

Wir sind Partner des Netzwerks SAX-QT, welches das Ziel verfolgt, ein leistungsstarkes sächsisches Netzwerk für Quantentechnologien aufzubauen, zu fördern und zu koordinieren, das Experten aus Forschung und Industrie zusammenbringt.

Der Fokus des Netzwerks liegt auf den Arbeitsbereichen "Materialien und Systeme", "Quantencomputing, Sensorik, Photonik" sowie "Befähigung und Transfer".

Fördergeber sind die Europäische Union sowie der Freistaat Sachsen.